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                                                          关键词：汽包水位测量；双室平衡容器

    尹海潮
男, 山东菏泽人,助理工程师，学士学位, 从事检测及基础自动化工作。

1     概述

    汽包作为一个高温高压设备无论是在加热炉或是在其它热力设施上，一直都受到人们的高度重视，汽包水位不仅关系到蒸汽的质量，同时对汽包的安全运行也是十分重要的。由于汽包中的高温高压，在蒸汽和水的交界面上形成许多气泡，给汽包水位测量带来困难，造成人们常说的“虚假水位”。因此，很多人致力于研究如何提高汽包水位的测量精度，笔者通过对济钢1700热连轧加热炉气化冷却系统的研究并结合在鞍钢热轧、梅山热轧的学习经验，对加热炉汽化冷却装置汽包水位测量上采用计算机技术提高了汽包水位测量精度的方法作简要介绍。

2    测量方法分析

    2.1   通常测量方法的缺陷

    传统的测量方法一般采用双室平衡容器，通过汽包水位和平衡容器差压成线性比例反算出汽包水位(如图1)，γ_１、γ₂、γ₃分别为汽包内饱和蒸气、汽包内饱和水和平衡容器内参考冷凝水的密度，可通过查有关设计手册获得，计算得到平衡容器输出差压为：

                      (1)

    当汽包水位达到最高水位时，差压变送器输出最大差压；当汽包水位达到最低水位时，差压变送器输出最小差压，变送器量程：△Pmax～△Pmin；变送器迁移量：△Pmax；汽包水位和差压变送器输出关系如图2所示：

    大多数场合，汽包水位都采用这种方法测量。其特点是结构简单，设备维护量小，在工况稳定的情况下，使用效果尚可。但当汽包内的工作点偏离设定点时，使用这种测量方法得到的汽包水位和汽包的实际水位存在着较大的偏差。

    项目汽包设计工作压力为1.27MPa，工作温度为190℃，变送器采用川仪横河EJA差压变送器，双室平衡容器高度为1100mm，查相关设计手册可得γ₁=6.5kg/m3，γ₂=875kg/m3，γ3=972kg/m3，当汽包水位达到最高时，即h=H时，差压值最大；当汽包水位最低时，即h=0时，差压值最小；根据公式(1)计算得到差压变送器量程为9362Pa，差压变送器迁移量为-1046 Pa：

    由于加热炉刚开始运行的时候或者当蒸汽管网不需要汽包产生的蒸汽时，蒸汽通过冷凝器变成冷凝水返回汽包，这时，汽包没有工作在设计工况下，汽包压力是0.17MPa。由于γ₁、γ₂、γ₃偏离设计值，导致汽包水位现场为242mm(现场玻璃管显示)，而操作站CRT显示的汽包水位却是337mm(左边)和321mm(右边)，实际值和计算值偏差较大。

    2.2   理论分析

    从公式(1)可以看出：间接反映汽包水位的平衡容器的差压△P与汽包内饱和蒸汽密度、汽包内饱和水密度和平衡容器内参考冷凝水的密度γ_１、γ₂、γ₃有直接的联系，当汽包内的工作点偏离设定点时，γ_１、γ₂、γ₃都偏离计算值，从而产生测量误差。从公式(1)可求得式(4)，该公式描述了汽包水位和变送器差压值的函数关系。

   

    其中，h为操作站CRT显示的汽包水位值，△P是差压变送器输出的差压值。
 
    假设汽包工作在设计工况下，水位高度为h0，差压变送器输出的差压值为△P₀，得：

    △P₀＝P₊ - P_-＝[h₀×γ₂ ×g + (H-h₀)×γ₁×g ]-H×γ₃×g  (2)

    这时在操作站CRT显示的汽包水位应为h0，没有偏差产生。当汽包工作点偏离于设计点时，汽包内的温度、压力将低于或高于设计值，从表1可以明显看出随着汽包内压力的变化，汽包内饱和水密度、饱和蒸汽密度以及双室平衡容器内冷凝水密度发生了变化，如当压力从0.5MPa变到0.8MPa时，汽包内饱和蒸汽密度、饱和水密度以及双室平衡容器内冷凝水密度分别变化了1.464kg/m3、18.1kg/m3和0.2kg/m3。设变化后的各密度为：γ_1a、γ_2a、γ_3a。γ_1a、γ_2a、γ_3a和γ₁、γ₂、γ₃函数关系如下：

    γ_1a=γ₁ +△γ₁
    γ_2a=γ₂ +△γ₂
    γ_3a=γ₃ +△γ₃

    假定汽包实际水位保持不变仍为h0，变送器输出差压值为：

    △P＝P₊ - P_-＝[h₀×γ_2a×g +(H-h₀)×γ_1a×g]-H×γ_3a×g

    从上式可以看出由于γ_1a＝γ₁＋△γ₁，γ_2a＝γ₂＋△γ₂和γ_3a＝γ₃＋△γ₃，所以，△P≠△P₀。设变送器输出差压值产生的偏差值为△Pm，则有：

    △P=△P₀+△Pm      (5)

    求解得：△Pm= P - P₀=[h₀×(γ_2a -γ₂)×g+(H-h₀)×(γ_1a -γ₁)×g]-H×(γ_3a -γ₃)×g=[h₀×△γ₂×g+(H-h₀)×△γ₁×g]-H×γ₃×g       (6)

    根据式(4)，新工况下操作站显示的汽包水位值为：

    从式(6)和(7)分析可得：当汽包工作点和设计工作点相同时，即γ_1a＝γ₁；γ_2a＝γ₂；γ_3a＝γ₃，△γ₁、△γ₂、△γ₃为零，公式(7)中第二项等于零，h_m＝h0。操作站显示的汽包水位和实际汽包水位相同；当汽包工作点和设计工作点偏差不大时，△γ₁、△γ₂、△γ₃较小，式(7)中第二项较小，hm和h0就比较接近，使用传统测量方法的测量精度也是可以接受的。当汽包工作点和设计工作点偏差较大时，汽包内饱和蒸汽密度、饱和水密度以及双室平衡容器内冷凝水密度偏差值较大，△γ₁、△γ₂、△γ₃比较大，公式(7)中第二项比较大，hm和h₀偏差值较大。

图3



图4



图5

3     解决方法

    查设计手册和表1可以看到：汽包内饱和蒸汽、饱和水的密度γ₁、γ₂对压力(温度)变化很敏感；而双室平衡容器内冷凝水的密度γ₃在压力变化时变化较小，温度变化时变化较大。由于平衡容器的温度通常没有测量，但从现场测量知道该冷凝水温度在80℃的时候最多且汽包工作点变化对其影响较小。将冷凝水温度固定在80℃再考虑γ3随压力变化产生的变化量，从而得到三个函数γ₁＝f₁(P)，γ₂＝f₂(P)，γ₃＝f₃(P，80)。我们用图3、图4和图5来得到这三个函数，并在软件中用当前的压力值随时去查询γ₁、γ₂、γ₃，就得到准确的密度，这样就能保证汽包水位的准确测量。

    利用公式（1）求得变送器输出差压值如下：

    其中，H、g为一常量，分别是双室平衡容器的高度和重力加速度，P为汽包压力，γ₁＝f₁(P)，γ₂＝f₂(P)，γ₃＝f₃(P，T)为一图表函数，△P是差压变送器的差压值，根据公式(8)即可计算出汽包水位h。

4     软件实施

    控制系统选用的是GE公司的90-30PLC系统。该部分控制软件主要使用以下功能模块：汽包压力、变送器差压等信号的采集处理模块；取12个点构成折线标的f₁(P)、f₂(P)显性化模块及相应的计算模块。

5     结束语

    汽包压力为0.17MPa，现场水位计显示值为242mm。使用传统的测量方法在操作站得到的显示汽包水位分别是337mm(左边)和321mm(右边)。经压力修正后的汽包水位分别是225mm(左边)和230mm(右边)。结果和现场水位计显示值242mm相当接近，结果令人满意。如果能够准确测量平衡容器内冷凝水的温度，根据公式(8)便可以准确地测量汽包的水位。

其它作者：

    王文彦（1983-），男 ， 助理工程师，现就职于济南钢铁集团公司中厚板厂电气车间。

参考文献： 

    [1]  王森.  仪表常用数据手册[M].  北京：化学工业出版社，1998.

    [2]  中国冶金建设协会.  钢铁企业过程检测控制自动化设计手册[M].  北京：冶金工业出版社，2000.